水平井摩阻影响因素分析及减阻技术研究

2022-12-22张文宁

西部探矿工程 2022年10期

关键词：摩阻钻柱岩屑

张文宁

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

钻井成本在油田勘探开发的总成本中占有重要比例。油气开采过程中的大多数生产成本，如管道、阀门、安全设备等是固定投入，难以大幅度降低成本。因此，优化钻井技术成为降低油气开采总体成本的有效途径之一。

水平井可以大幅度延长单井的油藏接触面积，从而提高井产能，已经成为研究的热点。尤其是在薄差油层，水平井比常规的直井或定向井更具备技术优势。

本文基于以往经验和相关理论，对水平井摩阻影响因素及减阻技术进行了研究。

1 摩阻扭矩影响因素分析

1.1 钻柱长度对摩阻和扭矩的影响

在水平井钻进过程中，在水平截面和斜截面上，钻柱产生的摩阻均随着钻孔深度的增加而增加。这是因为，随着钻柱长度的增大，由钻柱重量产生的压力上升，与井壁的接触面积增加，产生的摩阻也在增加[1-2]。研究表明，摩阻与钻柱长度几乎呈线性关系。但随着钻柱长度和井深的增加，地层的性质各不相同，地层摩擦系数和井眼曲率也影响摩擦力的变化。因此，钻柱长度不是一个独立的预测摩擦阻力的因素。表1是徐深气田某水平井的摩阻和井深的关系，从中可以看出每增加100m，摩阻增加50kN以上。

表1 徐深X井水平段长度与摩阻的变化表

1.2 转速对摩阻扭矩的影响

在水平井旋转钻井过程中，存在圆周旋转摩阻（增加扭矩）和轴向摩阻，摩阻受转速的影响较为明显。此外，当刚性界面（钻柱）和粘性界面（钻孔壁）相接触时，它的影响（钻孔中的扭矩和摩擦力）与静态接触时间有关[3-4]。同时，两个界面之间的相对位移和相对旋转速度对摩阻也有影响。在钻进时，钻头和井壁之间产生粘滞阻力，粘滞阻力的增大导致钻柱上的扭矩增大。但是，如果钻柱旋转速度加快，相对井壁的旋转频率增加，则粘滞阻力减小，扭矩也相应减小。因此，在复合钻进过程中，适当增加旋转速度可以减少因摩阻和扭矩增大而导致井下事故发生的概率[5-6]。

1.3 钻井液密度对摩阻扭矩的影响

随着井深和地层压力系数的变化，钻井液密度需要做相应调整，也会对摩阻产生影响。现场试验过程中对比了使用同一种钻井液体系，但密度分别为1.8g/cm3和密度为1.4g/cm3的两口井发现，使用高密度钻井液的水平井摩阻明显高于低密度钻井液。分析原因认为：增加钻井流体密度必然需要更高的固体含量，相应地会增加滤饼厚度和摩阻系数。此外，较高的钻井液密度会导致较高的液柱压力，从而在钻具上产生更大的压力。高密度钻井液在井底容易发生岩屑夹带效应，造成地层重复切削，岩屑不能迅速返出井口，从而增加摩擦和扭矩。

2 降低摩阻和扭矩的技术措施研究

2.1 井眼轨道优化设计

水平井较长的水平位移和较大的井斜角是产生摩阻和扭矩的主要原因。因此井眼轨迹优化的主要任务之一就是从设计角度来降低摩阻和扭矩。

（1）悬链线剖面设计法。该方法认为当井下的钻柱长度超过1000m时，钻柱本身具有很好的柔韧性，可以近似的看成一条悬链线。相应的如果实钻轨迹也设计成悬链形状就可以大幅度减少钻柱和井壁之间的摩阻和扭矩。

（2）修正悬链线剖面设计法。修正悬链线剖面设计法主要对部分井眼曲率大的井况进行修正，从而使设计剖面更符合井下钻具的实际情况。

（3）拟悬链线剖面设计法。该方法的特点是造斜率逐步变大，增加幅度相对较平缓，有利于降低钻柱扭矩和后期的下套管作业。

2.2 钻具组合优化

钻具组合优化主要是优化钻杆、钻铤等钻井工具在钻柱中的最优位置和使用长度。如使加重钻杆和钻铤的放置位置尽量处于小井斜处，而避免放置在水平段，从而减少它们和井壁的接触面积，降低重力作用产生的摩阻和扭矩。

2.3 钻井液设计优化

由于在水平井段内岩屑的物理运动方式发生了根本性的变化。如果不能将岩屑顺利携带出井筒，导致岩屑在水平空间内沉积形成岩屑床，则会造成摩阻扭矩增大、卡钻、井下漏失、下套管困难、固井质量差等一系列问题。而钻井液的润滑性、固相含量和流变性能对井筒内的岩屑床形成和泥饼质量有重要影响。

通过对钻井液的流变性、抑制性和润滑性进行优化，使大庆油田使用的高性能钻井液的各项性能得到了进一步提高。表2对比了优化后的大庆高性能钻井液和其他水平井钻井液的流变性能和失水性能，表3对比了抑制性，表4对比了润滑性，从数据可知大庆油田的高性能钻井液体系具有良好的性能，与油基钻井液类似，但在实际施工过程中要重点注意含砂量控制和润滑剂的补充。